CN103971565A - 机械能守恒实验器 - Google Patents

Abstract

一种机械能守恒实验器，包括底座、立柱、刻度板和控制电路；底座上安装有立柱，立柱上部安装有摆杆，摆杆的下端连接有摆锤，摆锤上安装有一只光电门传感器，刻度板固定安装在底座侧面，刻度板的上侧呈圆弧形，该圆弧形上侧的边沿分布有至少两个挡光片，刻度板上侧圆弧形的上下两端分别设置有释放装置和接收装置；控制电路包括主控电路、稳压电路和光电门采集电路，光电门传感器与光电门采集电路连接，光电门采集电路与主控电路连接，主控电路与稳压电路连接。该实验器结构简单，只需配备一只光电门传感器；操作方便，摆锤带动光电门传感器只要下落一次，便可采集多次挡光数据，更加直观，教学效果更佳；摆锤在摆动运行时更加稳定。

Description

机械能守恒实验器

技术领域

本发明涉及一种用于测量机械能守恒的实验器，属于中学物理实验技术领域。

背景技术

机械能守恒是中学物理教学内容中非常重要的一个部分。传统的机械能守恒实验多采用摆球法演示，但不能进行定量分析，只能从原理上加以说明。也有的用打点计时器进行实验，受各方面因素影响，第一与第二点间的误差较大，从而使整个实验误差加大或实验失败，实验的成功率不高。随着信息化技术的发展，光电门传感器逐步应用于实验教学中，为定量分析提供了良好的基础。但是，要想充分发挥传感器的作用，需要有较为理想的物理模型与之配套使用。

因此，利用光电传感器进行机械能守恒实验的实验器应运而生，如中国专利文献CN201007867公开的《机械能守恒实验器》，包括支架、主板、副板、圆柱形摆锤、光电传感器固定臂、光电传感器和磁铁夹固定臂，支架上安装有定位挡片；主板和副板分别安装在支架的左右两侧；光电传感器固定臂的一端和磁铁夹固定臂的一端均安装在支架上部且安装轴在同一轴线上，光电传感器固定臂在主板后面，磁铁夹固定臂在主板前面；光电传感器固定臂的另一端安装有光电传感器；磁铁夹固定臂的另一端带有磁铁夹，摆锤通过摆锤线连接在磁铁夹固定臂与支架的安装轴上。CN200979765公开的《演示用机械能守恒实验仪》，至少包含有一底座，一固定支架，还有一固定在支架上端的平板，在平板的上方正中相接有一根下垂线，线下固定有一个钢质摆球，在平板的至少一侧上方设置有一个可吸放钢质摆球的磁性释放器，而在钢质摆球的摆动轨迹边缘的平板上设置有至少两个光电门传感器。

虽然上述实验器材解决了传统仪器中存在的问题，但各有弊端，如中国专利文献CN201007867公开的《机械能守恒实验器》，是通过移动光电门传感器测量摆锤在不同位的运动速度，所以，实验时需要多次测量，导致实验效率不高。CN200979765公开的《演示用机械能守恒实验仪》需要设置多个光电门，此类实验器最多限制只能测量四个组数据，且因光电门之间存在测量误差，引起实验数据不准，实验器材成本过高。

发明内容

本发明针对现有机械能守恒实验技术存在的不足，提供一种操作简单、运行稳定、成本低廉、实验效率高效果好的机械能守恒实验器。

本发明的机械能守恒实验器，采用以下技术方案：

该机械能守恒实验器，包括底座、立柱、刻度板和控制电路；底座上安装有立柱，立柱上部安装有摆杆，摆杆的下端连接有摆锤，摆锤上安装有一只光电门传感器，刻度板固定安装在底座侧面，刻度板的上侧呈圆弧形，该圆弧形上侧的边沿分布有至少两个挡光片，刻度板上侧圆弧形的上下两端分别设置有释放装置和接收装置；控制电路包括主控电路、稳压电路和光电门采集电路，光电门传感器与光电门采集电路连接，光电门采集电路与主控电路连接，主控电路与稳压电路连接。

释放装置包括上下两个夹片，两个夹片相对安装在一个转轴上，转轴上设置有扭簧，扭簧两端分别压在两个夹片上，上夹片的外端设有端钩。端钩可钩住摆锤，按压上夹片的里端，端钩抬起，可释放摆锤。

接收装置为一个阻挡块，当摆锤摆动到此位置时，阻挡住摆锤继续下落摆动，使之卡在此处。

主控电路，包括单片机U1和下载接口，下载接口与单片机U1连接。

光电门采集电路，包括接口J3、电阻R3、电阻R4和电容C8，接口J3分别通过电阻R3和电阻R4与主控电路中下载接口的电源引脚连接；电容C8一端与主控电路中下载接口的电源引脚连接，一端接地；接口J3与光电门传感器连接，接口J3的第3脚与主控电路中的单片机U1连接。

实验时，将主控电路与计算机连接，将摆锤固定在释放装置上，释放摆锤使其下落，其上的光电门传感器依次通过刻度板上的各个挡光片，光电门传感器的挡光信号传输至主控电路，主控电路进行数据处理，并将数字信号传输至计算机，计算机将光电门传感器的挡光时间转换为光电门通过挡光片时的速度，并计算出摆锤的动能、势能和机械能，并可通过曲线进行显示。

本发明结构简单，只需配备一只光电门传感器；操作方便，摆锤带动光电门传感器只要下落一次，便可采集多次挡光数据，这样一次实验便可代替传统实验器六次实验；可自动计算出摆锤的动能、势能、机械能，并能显示出动能、势能、机械能的三条曲线进行对比，更加直观，教学效果更加；采用刚性的碳纤维杆代替传统实验器中的连线，摆锤在摆动时，运行更加稳定。

附图说明

图1是本发明机械能守恒实验器的结构示意图。

图2是本发明机械能守恒实验器中刻度板的结构示意图。

图3是本发明机械能守恒实验器中释放装置的结构示意图。

图4是本发明机械能守恒实验器中接收装置的结构示意图。

图5是本发明中主控电路的电路原理图。

图6是本发明中接口电路的电路原理图。

图7是本发明中稳压电路的电路原理图。

图8是本发明中接口保护电路的电路原理图。

图9是本发明中光电采集电路的电路原理图。

其中：1、侧封口，2、底座，3、刻度板，4、螺栓,5、自攻螺丝，6、释放装置，7、控制盒，8、固定轴，9、摆杆，10、摆锤，11、接收装置，12、立柱，13、螺栓。

具体实施方式

如图1所示，本发明的机械能守恒实验器主要包括底座2、立柱12、刻度板3和控制电路。底座2为铝合金型材制成，其两端装有侧封口1，底座2上安装有立柱12。立柱12的上部通过螺栓13固定安装有控制盒7，控制盒7上通过固定轴8安装有碳纤维材料制成的摆杆9，摆杆9的下端固定有摆锤10。摆锤10上安装有光电门。刻度板3通过螺栓4固定安装在底座2的侧面。如图2所示，刻度板3的上侧呈圆弧形，圆弧形边沿分布有至少两个挡光片(黑块处，图2中设有六个挡光片)，高度分别为15cm、12cm、9cm、6cm、3cm、0cm，挡光片的宽度为1cm。刻度板3上侧圆弧形的两端分别设置有释放装置6和接收装置11，释放装置6用于将摆锤固定在刻度板上端，按压释放装置6的按压手柄便可释放摆锤使之落下，释放装置6通过自攻螺丝5固定在刻度板3圆弧形的上端。接收装置11可以阻挡接收摆动的摆锤。

控制电路安装在控制盒7中，包括主控电路、稳压电路和光电门采集电路，光电门与光电门采集电路连接(两者的连线隐藏在摆杆9的内孔中)，光电门采集电路与主控电路连接，主控电路与稳压电路连接。主控电路与通过USB接口与计算机连接，由计算机进行数据处理。

如图2所示，在刻度板3上边沿分布有6个黑色的挡光片，6个挡光片在垂直方向均匀分布，高度分别为15、12、9、6、3、0cm。摆锤下落时，摆锤10上的光电门依次通过6个挡光片。

释放装置6的结构如图3所示，释放装置6为夹子结构，包括上下两个夹片，两个夹片相对安装在一个转轴上，转轴上设置有扭簧，扭簧两端分别压在两个夹片上，下夹片通过自攻螺丝5固定在刻度板3的上端。上夹片的外端设有端钩，端钩可钩住摆锤10，按压上夹片的里端，端钩抬起，可释放摆锤10。

接收装置11的结构如图4所示，为一个阻挡块，接收装置11与刻度板3可以拼接为一个整体，当摆锤10摆动到此位置时，接收装置11可以阻挡住摆锤10，使之卡在此处。

主控电路如图5所示，包括单片机U1(STM32F103R8T6)和下载接口，下载接口与单片机U1连接。摆锤10上的光电门传感器的输出信号连接至单片机U1的第38脚，单片机U1定时监测此脚的高低电平来判断光电门是否挡光。Y1为8MHz晶振，与瓷片电容C1、C2配合为单片机U1提供系统时钟。

下载接口电路如图6所示，J2为USB接口，通过电阻R9和R10连接至单片机U1的44、45管脚。Q1为MOS管AO3401，单片机U1通过51脚控制Q1的通断，Q1的通断可控制USB通信的连接和断开。

稳压电路如图7所示，包括稳压芯片U5、钽电极电容E1、瓷片电容C15和瓷片电容C16。稳压芯片U5输出3.3V电压为主控电路供电。

接口保护电路如图8所示，包括瞬态抑制二极管芯片U6，芯片的4脚和6脚连接至USB的D+、D-信号线，防止USB线拔插时造成单片机U1的USB损坏。

光电门采集电路如图9所示，包括接口J3、电阻R3、电阻R4和电容C8。接口J3与光电门连接，J3的第3脚连接至单片机U1的第38脚，单片机U1的第38脚，将光电门的高低电平信号传输至单片机。同时J3的第1脚通过电阻R3与下载接口接口电路中的USB提供的电源V_USB连接，J3的第3脚通过电阻R4与下载接口接口电路中的的USB提供的电源V_USB连接，电容C8一端与USB提供的电源V_USB连接，一端接地。

实验时，将控制盒7中的主控电路用USB线与计算机连接，将摆锤10固定在释放装置6上，释放摆锤10，摆锤10下落，其上的光电门依次通过刻度板3上的六个挡光片。光电门的挡光信号通过在摆杆9内孔中的连线将挡光信号传输至控制盒7内的主控电路，主控电路中的单片机U1进行数据处理，将数字信号通过下载接口电路和USB线传输至计算机。计算机将光电门的挡光时间转换为光电门通过挡光片时的速度，并计算出摆锤的动能、势能和机械能，并可通过曲线进行显示。

本发明具有以下的特点：

1.操作简单：摆锤只要下落一次，便可采集六次挡光数据，这样一次实验便可代替传统实验器六次实验。

2.可自动计算出摆锤的动能、势能、机械能，并能显示出动能、势能、机械能的三条曲线进行对比，更加直观，教学效果更佳。

3.结构稳定：采用刚性碳纤维杆代替传统器材中的连线，摆锤在摆动时，运行更加稳定。

Claims (5)

1.一种机械能守恒实验器，包括底座、立柱、刻度板和控制电路；其特征是：底座上安装有立柱，立柱上部安装有摆杆，摆杆的下端连接有摆锤，摆锤上安装有一只光电门传感器，刻度板固定安装在底座侧面，刻度板的上侧呈圆弧形，该圆弧形上侧的边沿分布有至少两个挡光片，刻度板上侧圆弧形的上下两端分别设置有释放装置和接收装置；控制电路包括主控电路、稳压电路和光电门采集电路，光电门传感器与光电门采集电路连接，光电门采集电路与主控电路连接，主控电路与稳压电路连接。

2.根据权利要求1所述的机械能守恒实验器，其特征是：所述释放装置包括上下两个夹片，两个夹片相对安装在一个转轴上，转轴上设置有扭簧，扭簧两端分别压在两个夹片上，上夹片的外端设有端钩。

3.根据权利要求1所述的机械能守恒实验器，其特征是：所述接收装置为一个阻挡块。

4.根据权利要求1所述的机械能守恒实验器，其特征是：所述主控电路包括单片机U1和下载接口，下载接口与单片机U1连接。

5.根据权利要求1所述的机械能守恒实验器，其特征是：所述光电门采集电路，包括接口J3、电阻R3、电阻R4和电容C8，接口J3分别通过电阻R3和电阻R4与主控电路中下载接口的电源引脚连接；电容C8一端与主控电路中下载接口的电源引脚连接，一端接地；接口J3与光电门传感器连接，接口J3的第3脚与主控电路中的单片机U1连接。